(57)【要約】【課題】OTDRを使用した歪み又は温度の多点計測装置に適した安価で高精度な反射型光ファイバ歪みセンサ又は温度センサを提供する。【解決手段】光ファイバフェルールモジュール１ａおよび４ａを、フェルール支持体３ａを介して作動板７ａに固定する。また、反射膜５を設けたフェルール１ｂを、フェルール支持体３ｂを介して作動板７ｂに固定する。２つのフェルール１ａおよび１ｂは、割りスリーブ又は精密スリーブ２を介して対向させ、光ファイバ端面中心軸の軸ズレや角度ズレが最小限になるように抑制しながら、光ファイバ端面間の距離を作動板７ａと７ｂ間の変位に応じて変位させる。光ファイバ端面間の距離のみを支配的に変化させることにより、光ファイバ間のパワー透過係数と変位の関係が単純化されるため、ＯＴＤＲにより反射光強度を計測することにより、変位を高精度に計測することが可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪み又は温度に応じて反射光強度が変化する反射型光ファイバセンサにおいて、光ファイバと光ファイバあるいは光ファイバと反射体の結合損失の変化により歪み又は温度を計測することを特徴とする歪みセンサ又は温度センサ。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバとして、出射光をコリメートするレンズを備えた光ファイバを用いることを特徴とする請求項１記載の歪みセンサ又は温度センサ。
【請求項３】
請求項１記載の結合損失を変化させる手段として、光ファイバ端面間の距離、光ファイバ端面中心軸の軸ズレおよび光ファイバ端面中心軸の角度ズレの３手段の内、１手段のみが支配的であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の歪みセンサ又は温度センサ。
【請求項４】
請求項３記載の３手段の内、光ファイバ端面間の距離のみが支配的であることを特徴とする請求項１から請求項３記載の歪みセンサ又は温度センサ。
【請求項５】
請求項４記載の光ファイバ端面間の距離のみが支配的であることを実現するため、光ファイバの光軸アライメントに使用されるフェルール、割りスリーブ、精密スリーブ又はレンズ付き光ファイバの光軸アライメントに使用される精密ガラスチューブを用いることを特徴とする請求項１から請求項４記載の歪みセンサ又は温度センサ。
【請求項６】
請求項３記載の３手段の内、光ファイバ端面中心軸の軸ズレのみが支配的であることを特徴とする請求項１から請求項３記載の温度センサ。
【請求項７】
請求項６記載の光ファイバ端面中心軸の軸ズレのみが支配的であることを実現するため、光ファイバ又は光ファイバアレイの光軸アライメントに使用されるＶ溝基板を用いることを特徴とする請求項１から請求項３、および請求項６記載の温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪み又は温度を計測する光ファイバセンサにおいて、安価で高精度な多点計測に適した反射型歪みセンサ又は温度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歪みセンサ又は温度センサには電気的な変化を呈するセンサと、光の反射または透過特性の変化を呈するセンサがある。電気的な変化を呈するセンサとしては歪みにより電気抵抗値が変化する歪ゲージが、また温度変化により起電力が変化する熱電対が工業的に広く使用されている。しかし、爆発性雰囲気下では防爆構造を取る必要があり、また電磁ノイズや落雷の影響を受けやすいため、危険場所や広域の計測に利用する場合には高価になるという欠点もある。
【０００３】
光の反射特性の変化を呈するセンサとしてはFBG（Fiber Bragg Grating）（例えば、非特許文献１参照）が、また光の透過損失の変化を呈するセンサとしてはOSMOS（Optical Strand Monitoring  System）方式（例えば、非特許文献２参照）用の光学ストランドセンサが知られている。光の特性変化を呈するセンサおよびその計測器は、電気的な変化を呈するセンサやその計測器に比較して高価であるが、防爆構造を取る必要が無く、また電磁ノイズや落雷の影響を受けにくいため、危険場所や広域の計測に利用され始めている。
【０００４】
FBGでは、歪み又は温度変化により反射光の波長シフトが発生し、この波長シフトを計測器で計測する。しかし、反射光の波長シフトは、歪みおよび温度の変化により発生するため、歪みを計測する場合には温度を計測して補正する必要があり、計測系が高価になる要因となっている。また、大きな歪みを計測するFBGは、あらかじめ大きな歪みを与えて選別する必要があるため高価である。
【０００５】
OSMOS方式は、光学ストランドセンサの光の透過損失を測定することにより歪みを測定するため計測装置単体は比較的安価であるが、光学ストランドセンサ１個に対して１台の計測装置が必要であるため、多点計測系ではやはり高価になる。
【０００６】
さらに、FBGセンサ、光学ストランドセンサ共に、歪みを計測する場合には光ファイバに歪みを与えるため、ワイブル分布を用いた光ファイバの寿命管理が必要であり、この制約が光ファイバに加える歪みの範囲を制限したり光ファイバセンサの寿命を制限したりする要因になる。
【０００７】
一方、比較的安価なOTDRを使用した、光ファイバセンサによる歪み又は温度の安価な多点計測装置が提案されている（特許文献１参照）が、そのセンサとして安価で高精度なものは存在しない。OTDRを意識した、安価なアナログ型変位センサも提案されている（特許文献２参照）が、計測精度や特性の温度依存性については言及されておらず、未だ実用化されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特願２０１２−７２５９８
【特許文献２】特開２００６−２８４２８７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】”Fiber Bragg Gratings: Fundamentals andApplications in Telecommunications and Sensing”,Othonos,A. and Kalli,K., Artech House, Norwood, ２０００.
【非特許文献２】「光学ストランドを用いた構造物のモニタリングシステムに関する基礎的研究」,山下他３名, 土木学会第５５会年次学術講演会, Vol.３２９, ２０００.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、OTDRを使用した歪み又は温度の多点計測装置に適した安価で高精度な反射型光ファイバ歪みセンサ又は温度センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、OTDRを使用した歪み又は温度の多点計測装置を用いて歪み又は温度を高精度に計測するため、反射光強度が歪み又は温度の高精度な関数として変化する光ファイバセンサを提供する。
【００１２】
OTDRからの入射光を反射する反射体を設けた反射型光ファイバセンサにおいて、反射光強度を歪み又は温度の高精度な関数として変化させるため、光ファイバと光ファイバあるいは光ファイバと反射体の結合損失を、歪み又は温度の変化に応じて高精度に変化させる。
【００１３】
上記光ファイバから出射する光を直接光ファイバあるいは反射体へ入射させても良いが、より大きな歪みを計測するためには、より大きな変位範囲に渡り結合損失が緩やかに変化するよう、光をコリメートするレンズ付き光ファイバによりコリメート光を出射させ、このコリメート光を再びコリメートレンズ付き光ファイバあるいは反射体へ入射させる方法が良い。なお、ここで解説した、受光側の光ファイバあるいはコリメートレンズ付き光ファイバの反対側の端面には反射膜を設けるものとし、以下の解説においても同様とする。また、コリメートレンズとしては、一般的な球面レンズ、非球面レンズのみならずGRIN（Gradient Index）レンズも使用可能である。
【００１４】
光ファイバと光ファイバあるいはレンズ付き光ファイバとレンズ付き光ファイバの結合損失が変化する要素としては、以下の３要素がある。
（１）光ファイバ端面間の距離
（２）光ファイバ端面中心軸の軸ズレ
（３）光ファイバ端面中心軸の角度ズレ
一般的に、光ファイバと光ファイバあるいはレンズ付き光ファイバとレンズ付き光ファイバを結合する場合、この３要素による結合損失を減少させるため、機械的にアライメントして固定する。しかし、この３要素の各結合損失の感度は敏感であり、センサ可動機構の３次元的な動きや、温度変化による部材や接着剤の３次元的な膨張により簡単に変化するため、３要素が複合された結合損失が発生してしまうという欠点がある。ON/OFFを扱う接点センサであれば、３要素が複合された結合損失が発生しても大きな問題とはならない。しかし、歪み又は温度を高精度に計測するセンサでは、反射光強度を歪み又は温度の関数として高精度に変化させる必要があるため、３要素が複合された結合損失の発生は致命的な欠点となる。以上から、３要素の内１要素のみを支配的に変化させる手段を備えることが重要となる。以上の説明では、光ファイバと光ファイバあるいはレンズ付き光ファイバとレンズ付き光ファイバの結合損失として説明したが、光ファイバと反射体あるいはレンズ付き光ファイバと反射体の結合損失についても同様である。
【００１５】
一般的にFBGセンサでは、フルスケールとして0.5%程度の歪みを測定するセンサが代表的である。仮に、センサに変位を加える両端の間隔が40mmおよび1000mmの場合、センサの変位はそれぞれ200μmおよび5mmとなる。この程度の直線変位により光ファイバと光ファイバあるいはレンズ付き光ファイバとレンズ付き光ファイバの結合損失を変化させる要素としては光ファイバ端面間の距離が最も適している。即ち、光ファイバと光ファイバの結合損失は、光ファイバ端面間の距離が0〜200μm程度の比較的狭い範囲で急激に変化し、レンズ付き光ファイバとレンズ付き光ファイバの結合においてコリメート光のビームウェスト直径を100μm程度に設定すれば、0〜5mm程度の変位で結合損失を変化させることができる。さらに、より大きなビームウェスト直径を選択すれば、さらに広い範囲で結合損失が緩やかに変化するような設計も可能である。
【００１６】
一般的に、光ファイバ同士を結合する場合、安価でありかつ上記の結合損失が変化する３要素を小さくするため、外径が精密なフェルールと内径が精密な割りスリーブ又は精密スリーブが使用される。また、レンズ付き光ファイバとレンズ付き光ファイバを結合する場合には、フェルールと内径が精密なキャピラリが使用される。フェルール、割りスリーブ、精密スリーブ又はキャピラリの素材としては、ジルコニア、結晶化ガラス又はホウケイ酸ガラスが使用されることが多い。光ファイバ同士を結合するこれらの部材を組み合わせて使用することにより、光ファイバ端面中心軸の軸ズレおよび光ファイバ端面中心軸の角度ズレを最小限に抑制しながら光ファイバ端面間の距離を安価に変化させることが可能である。
【００１７】
変位により温度を計測する方法としてバイメタル式温度計がある。バイメタルの変位は、材料、ディメンジョンを変更することにより、1μｍ／℃程度から数十μｍ／℃程度まで変化させることができる。このため、この変位を利用してバイメタル式光ファイバ温度センサを構成する方法としては、上記の結合損失が変化する３要素の内、光ファイバ端面間の距離又は光ファイバ端面中心軸の軸ズレを利用することができる。バイメタルにより光ファイバ端面間の十分な距離の変位を発生させるには、バイメタルの長手方向を光ファイバの軸と直交する方向に配置する必要があるため、比較的大きな矩形状のバイメタル式光ファイバ温度センサとなる。一方、バイメタルにより光ファイバ端面中心軸の軸ズレを発生させるためには、バイメタルの長手方向を光ファイバの軸方向に配置することができる。また、光ファイバ端面中心軸の軸ズレの変位による結合損失の変化は、光ファイバ端面間の距離の変位による結合損失の変化に比較して敏感であるため、バイメタルの長さを短くすることが可能になる。以上から、結合損失が変化する３要素の中で光ファイバ端面中心軸の軸ズレを使用することにより、コンパクトな棒状のバイメタル式光ファイバ温度センサを提供することが可能になる。
【００１８】
光ファイバ又は光ファイバアレイを結合損失が小さくなるよう精密かつ安価にアライメントする方法としてＶ溝基板を使用する方法がある。一般的な光ファイバの外形は１２５±１μｍと精密であるため、精密に加工されたＶ溝基板を使用することにより結合損失を小さくすることが可能である。光ファイバ端面中心軸の軸ズレを利用したバイメタル式光ファイバ温度センサでは、必ずしも光ファイバ同士を近接させて結合損失を極端に小さくする必要が無いため、Ｖ溝基板に対する精度の要求を低減することも可能であり、コンパクトで安価な温度センサを提供することが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、防爆構造が不要で電磁ノイズや落雷の影響をほとんど受けないという光ファイバセンサの特徴を持った安価で高精度な多点計測に適した反射型歪みセンサ又は温度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明における第１の実施の形態に係る歪みを計測する反射型光ファイバセンサを示す図である。
【図２】本発明における第２の実施の形態に係る歪みを計測する反射型光ファイバセンサを示す図である。
【図３】本発明における第３の実施の形態に係る温度を計測する反射型光ファイバセンサを示す図である。
【図４】本発明における光ファイバ端面間の距離を変化させる方法により歪み又は温度を精度よく求める方法の説明図である。
【図５】本発明における第４の実施の形態に係る温度を計測する反射型光ファイバセンサを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１を参照して反射型歪みセンサに関する本発明の第１の実施の形態について説明する。光ファイバ４ａをフェルール１ａに接着固定し研磨したフェルールモジュールを、フェルール支持体３ａを介して作動板７ａに固定する。これに対向するフェルール１ｂは光ファイバ４ｂを内部に保持したスタブフェルールであり、そのどちらかの面には使用する波長の光を反射する反射膜５を設けている。反射膜５を設けたフェルール１ｂは、フェルール支持体３ｂを介して作動板７ｂに固定する。対向するフェルールは、フェルール同士を精度よく接続可能な割りスリーブ又は精密スリーブ２により接続され、光ファイバ端面中心軸の軸ズレや角度ズレが最小限になるように抑制しながら、光ファイバ端面間の距離が作動板７ａと７ｂ間の変位に応じて変位する。反射膜５を図１に示す通り光ファイバ導入側と反対側に設ける場合には光ファイバ端面へ真空成膜による設けるが、光ファイバ導入側に設ける場合には、反射膜を設けた反射モジュールをフェルール端面に接着することも可能である。また、割りスリーブ又は精密スリーブ２はフェルール１ａまたは１ｂが抜け落ちないよう、どちらかのフェルールに接着する。フェルール支持体３ａおよび３ｂは、歪みセンサ軸に直角方法の機械的誤差や変位に柔軟に対応するため、ある程度フレキシブルであり、かつ軸方向の変位には影響を及ぼさない程度に剛となるよう材質と形状を決定する。保護カバーは、作動板に変位を与える母体の変位に影響を及ぼさない程度にフレキシブルであり、かつ歪みセンサに許容範囲以上の変位を与えない程度に剛に設計する。
【００２２】
対向する光ファイバの端面では、空気と光ファイバとの屈折率の違いにより３．６％程度の反射が発生するのみならず、面が近接して対向しているためファブリーペロー共振により、センサの変位に伴い最大２５％程度の光強度のうねりが発生する。この光強度のうねりを抑制する方法としては、以下の方法がある。
１．光ファイバ端面を直角ではなく斜めにする。
２．どちらかの光ファイバ端面あるいは両方の光ファイバ端面に無反射膜を設ける。
しかし、第１の方法では光ファイバ端面からの出射光がセンサ中心軸から４°程度斜めに出射し、光ファイバ端面間の距離の増大と共に光軸の軸ズレが大きくなるため、短い変位しか計測できない。また、光ファイバ同士の角度合わせも必要になるため、第２の方法が望ましい。
【００２３】
図２を参照して反射型歪みセンサに関する本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、光ファイバと光ファイバの結合損失は、光ファイバ端面間の距離が0〜200μm程度の比較的狭い範囲で急激に変化するため、0.4 mmを超えるような大きな変位の歪みセンサを製作することができない。これを解決するのが第２の実施の形態である。第２の実施の形態では、第１の実施の形態に加え、光をコリメートするためのレンズ９を使用する。レンズ９と対向するフェルールには反射膜を設け、第１の実施の形態と同様にフェルール同士を精度よく接続可能な割りスリーブ又は精密スリーブ２を介して接続する。反射膜５からの反射光強度は、反射膜５がコリメート光のビームウェストの位置に配置された時に最も強くなり、その位置から遠ざかるにしたがって弱くなる。
【００２４】
第２の実施の形態の最大の特徴は、レンズ９の焦点距離を変化させることにより、様々な範囲の変位に対応可能な歪みセンサを提供できる点である。例えば、光のビームウェスト直径を100μm程度になるようなレンズを使用すれば、0〜5mm程度の変位の計測に適した歪みセンサを製作することが可能であり、さらに大きなビームウェスト直径になるようなレンズ９の焦点距離を選択すれば、さらに大きな変位の計測に適した歪みセンサを提供することが可能である。なお、図２の反射膜付きフェルール１ｂは、図１の反射膜付きスタブフェルール１ｂの左端にレンズ９と同様の特性を持ったレンズを設けたスタブフェルールに置換できる。
【００２５】
図３を参照して反射型温度センサに関する本発明の第３の実施の形態について説明する。光ファイバ４ａをフェルール１ａに接着固定し研磨したフェルールモジュールを、フェルール支持体３ａを介してセンサベース１０に固定する。これに対向するフェルール１ｂは光ファイバ４ｂを内部に保持したスタブフェルールであり、そのどちらかの面には使用する波長の光を反射する反射膜５を設けている。反射膜５を設けたフェルール１ｂは、フェルール支持体３ｂを介してバイメタル１１に固定する。対向するフェルールは、フェルール同士を精度よく接続可能な割りスリーブ又は精密スリーブ２を介して接続し、光ファイバ端面中心軸の軸ズレや角度ズレが最小限になるように抑制しながら、光ファイバ端面間の距離が温度変化に応じて変位する。反射膜５を図３に示す通り光ファイバ導入側と反対側に設ける場合には光ファイバ端面へ真空成膜による設けるが、光ファイバ導入側に設ける場合には、反射膜を施した反射モジュールをフェルール端面に接着することも可能である。また、割りスリーブ又は精密スリーブ２はフェルール１ａまたは１ｂが抜け落ちないよう、どちらかのフェルールに接着する。温度変化による光ファイバ端面間の距離の変位は、バイメタル１１の反りおよびセンサベース１０とフェルール１やフェルール支持体３との熱膨張係数の差により発生するため、高精度に計測するためにはこれらの影響を全て考慮する必要がある。
【００２６】
図４を参照して、本発明の光ファイバ歪みセンサ又は光ファイバ温度センサからの反射光の処理方法について説明する。光ファイバを進行する光、光ファイバから出射した光およびレンズを通過した光は、ガウシアンビームで精度よく近似されることが知られている。この近似を使用し、光ファイバを進行する光のモードフィールド半径をωＦ、光ファイバから出射した光あるいはレンズを通過した光のビーム半径をωＧとすれば、光ファイバから出射した光あるいはレンズを通過した光が光ファイバに入射する際のパワー透過係数は、数式１で表示される。このため、数式１の右辺の対数とセンサからの反射光強度のデシベル値の関係は図４に示す通り、線形の関係であることがわかる。センサからの反射光強度のデシベル値はOTDRにより容易に計測でき、また光ファイバを進行する光のモードフィールド半径ωＦは既知であり、距離の変化に伴うガウシアンビームの半径ωＧと距離の関係も既知である。このため、OTDRの計測値から精度良く光ファイバ端面間の変位に換算することが可能である。また、温度を計測する場合は、外力ではなく、バイメタルなど温度に応じて変形する材料を使用して光ファイバ端面間に変位を与える。この場合、温度と変形量の関係は既知であるのでOTDRの計測値から精度良く温度に換算することが可能である。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
図５を参照して反射型歪みセンサに関する本発明の第４の実施の形態について説明する。光ファイバ４ａを光ファイバ支持体１４で支持しＶ溝基板１３に保持する。これに対向する光ファイバ４ｂも同様に光ファイバ支持体１４で支持しＶ溝基板１３に保持する。光ファイバ４ｂの光ファイバ導入側と反対側の端面には反射膜５が設けている。光ファイバ外径は、誤差±1μm以内であるため、外力が加わらなければ精密に加工されたＶ溝基板により高精度にアライメントすることができる。温度が変化すると、バイメタル１１が湾曲し、先端に設けられたブラケット１２が光ファイバ４ｂを押し上げ、光ファイバ端面中心軸の軸ズレを起こすため、結合損失が変化する。温度を計測するために必要な光ファイバ端面中心軸の軸ズレ量は、光ファイバ端面間の距離により異なるが、概ね５μm〜５０μm程度である。光ファイバ端面中心軸の軸ズレと同時に角度ズレも発生するが、角度ズレを０．２度以内になるように設計すれば、角度ズレが結合損失に影響を及ぼさないようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の歪みセンサは、気体や液体の圧力を計測する圧力計や液面のレベルを計測するレベル計として利用することが可能である。また、本発明の温度センサは、温度に応じて変位するバイメタルに替えて、湿度に応じて変位するバイメタルなどの素材や複合材を使用することにより湿度計としても利用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１ａ  フェルール（光ファイバ導入側）
１ｂ  フェルール又はスタブフェルール（反射膜側）
２    割りスリーブ又は精密スリーブ
３ａ  フェルール支持体（光ファイバ導入側）
３ｂ  フェルール支持体（反射膜側）
４ａ  光ファイバ（光ファイバ導入側）
４ｂ  光ファイバ（反射膜側）
５    反射膜
６    保護カバー
７ａ  作動板（光ファイバ導入側）
７ｂ  作動板（反射膜側）
８    光ファイバケーブル
９    レンズ
１０  センサベース
１１  バイメタル
１２  ブラケット
１３  Ｖ溝基板
１４  光ファイバ支持体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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